Kilowattpeak (kWp): Elektrische Spitzenleistung einer PV-Anlage
Die Maßeinheit Kilowattpeak (kWp) bezeichnet die maximale Leistung von Photovoltaikmodulen unter Standardbedingungen. So lautet die offizielle Definition. Sie verrät jedoch nichts über diese Bedingungen – und warum die Einheit als Leistungsangabe bei angebotenen PV-Anlagen gebräuchlich ist. Wir erläutern den Begriff Kilowatt-Peak, worauf diese Leistungsangabe beruht und welche Vor- und Nachteile die im Labor ermittelte Nennleistung hat. Außerdem lesen Sie, was das für den Stromertrag und die Dimensionierung der PV-Anlage bedeutet.
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Die Einheit KilowattPeak einfach erklärt
Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage besteht darin, Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln. Da die Lichtenergie aber nicht zu jeder Stunde jeden Tages, an jedem Ort und auf jedem Dach gleich ist, benötigt die normierte Maßeinheit Watt für die Leistung eine Modifikation. Ziel war von Anfang an, die Werte aller Solaranlagen vergleichbar zu machen. Durchgesetzt haben sich standardisierte Testbedingungen, unter denen optimale Leistungswerte ermittelt werden: die Nennleistung, auch „installierte Leistung“, mit der Maßeinheit KilowattPeak (kWP), in moderner Schreibweise üblicherweise Kilowattpeak, Kilowatt-Peak bzw. kWp.
Doch warum „Peak“? „Spitze“ lautet die korrekte Übersetzung des englischen Wortes. Mit der Maßeinheit kWp wird also die elektrische Spitzenleistung einer Photovoltaikanlage beziffert.
Eine Aussage wie
„Die Leistung der Photovoltaik-Anlage beträgt 10 Kilowattpeak (kWp).“
ist daher eigentlich umgangssprachlich zu bewerten. Korrekt wäre eine Formulierung wie
„Die Nennleistung der Photovoltaik-Anlage unter Annahme der Standard-Testbedingungen beträgt 10 Kilowattpeak (kWp).“
Doch dies nur am Rande. Die Leistungsangabe bei PV-Anlagen in kWp hat sich schließlich längst zum Standard entwickelt und eine Aussage wie „Das ist eine 10-kWp-Fotovoltaikanlage“ ist mittlerweile durchaus geläufig.
Standard-Testbedingungen (STC) in der Photovoltaik
Um die Leistung von Photovoltaik-Anlagen möglichst unabhängig vergleichen und bewerten zu können, hat man weltweit einheitliche Betriebsbedingungen definiert: die Standard-Testbedingungen, englisch Standard Test Conditions, abgekürzt STC. Basierend auf optimalen Umgebungsbedingungen, wird im Labor die maximale Leistung der Solarmodule ermittelt. Die Vorgaben für die Standard-Testbedingungen sind:
- Sonnenlicht-Einstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) in der Modulebene – das Licht trifft im Labor senkrecht auf das Modul,
- Modulzellen-Temperatur von 25 Grad Celsius (°C) mit einer Toleranz von ±2 °C
- Strahlungsspektrum bei einer astronomischen Luftmasse von 1,5 gemäß der Norm IEC 60904-3 in der aktuellen Ausgabe von 2019.
Einstrahlung
Zelltemperatur
Luftmasse
Die ermittelten Werte werden anschließend mathematisch ausgewertet und in Watt-Peak (Wp) beziffert. Positiv ist: Die Nennleistung hilft beim Vergleich der angebotenen Solarmodule.
STC und NOCT: Zwei Leistungswerte im Datenblatt
Gute Moduldatenblätter nennen neben der STC-Nennleistung in kWp meist einen zweiten Wert: die Leistung unter NOCT (Nominal Operating Cell Temperature). Diese Angabe bezieht sich auf realitätsnähere Bedingungen – eine Einstrahlung von nur 800 W/m² und eine typische Zelltemperatur von etwa 45 °C statt der 25 °C im Labor. Die NOCT-Leistung liegt deshalb deutlich unter dem STC-Wert und entspricht eher dem, was ein Modul im Alltag auf dem Dach liefert. Für den Vergleich verschiedener Module bleibt der kWp-Wert maßgeblich. Wer abschätzen möchte, wie viel Leistung das Modul unter Sommerbedingungen tatsächlich bringt, findet in der NOCT-Angabe einen realistischeren Anhaltspunkt.
Laborbedingungen vs. reale Bedingungen
Anders als im Labor herrschen die optimalen Bedingungen nie gleichzeitig. Die Fakten für eine Photovoltaikanlage in Deutschland sind:
- Eine Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m² wird selten erreicht. An einem strahlenden Sommertag ist dies kein Problem, bei bedecktem Himmel und im Winter beträgt die Einstrahlung aber oft nicht mehr als 50 W/m². Im Jahresmittel liegt der Wert je nach Region zwischen rund 110 und 145 W/m².* Das ist tatsächlich weit entfernt vom Optimum.
*Quelle: Mittlere Jahressummen des Deutschen Wetterdiensts 1991-2020. Die sogenannte Globalstrahlung reicht von ca. 975 kWh/m² in Teilen Norddeutschlands bis etwa 1.260 kWh/m² in Alpennähe. Dividiert durch 8760 Stunden/Jahr ergibt sich so das Jahresmittel der Einstrahlung.
- Gerade bei hoher Einstrahlung überschreitet die Zelltemperatur das 25-°C-Optimum deutlich. Als Faustregel gilt: Mit jedem Grad Temperaturanstieg sinkt der Wirkungsgrad moderner Photovoltaikmodule um etwa 0,3 bis 0,4 Prozent (bei älteren kristallinen Modulen bis zu 0,5 Prozent). Das klingt zunächst nicht dramatisch. Bei einer durchaus realistischen Erwärmung der Module auf 65 °C im Hochsommer liegt der Wirkungsgrad jedoch nur noch bei rund 86 Prozent der Nennleistung.
- Geometrisch entspricht AM 1,5 näherungsweise einem Sonnenstand um 42 °, wie er in Mitteleuropa im Frühjahr und Herbst typisch ist – für die STC ist jedoch nicht diese reale Geometrie maßgeblich, sondern das normierte Referenzspektrum nach IEC 60904-3. Im Winter steht die Sonne wesentlich tiefer, ihre Strahlen legen eine längere Strecke durch die Atmosphäre zurück und das Lichtspektrum verändert sich (ein Grund übrigens auch für den oft rötlich schimmernden Himmel). Bei einem realen Air-Mass-Wert von bis zu 4 oder sogar 5 sinkt die Leistung der Solarstrahlung.
Kilowatt-Peak und Stromertrag
Die Aussagekraft der Leistungsangabe Kilowatt-Peak ist für die tatsächliche Stromerzeugung also nur theoretischer Natur. Eine weitere Faustregel vereinfacht jedoch jede Planung der Investition:
Pi mal Daumen kann die Leistungsangabe nämlich 1:1.000 übertragen werden. Das heißt: Bei einer gut positionierten PV-Anlage ist pro Kilowatt-Peak Nennleistung jährlich etwa 1.000 Kilowatt-Stunde Ertrag zu erwarten. Aufgrund der regionalen Unterschiede innerhalb der Bundesrepublik wird der Wert in der Regel mit „900-1.100 kWh/kWp“ angegeben. Allerdings gilt dies nur bei einer optimalen Dachausrichtung (0°) und Dachneigung (35°). Welche Faktoren den Ertrag außerdem beeinflussen, kann im Beitrag zum Stromertrag nachgelesen werden.
Ausgehend von einem jährlichen Stromverbrauch eines 4-Personen-Haushalts von rund 3.500 bis 4.500 kWh (Mittelwert etwa 4.000 kWh ohne Wärmepumpe oder E-Auto) würde sich rein rechnerisch also eine 4- bis 5-kWp-Solaranlage anbieten. Mit einem Stromspeicher steigt der Eigenverbrauchsanteil des erzeugten Solarstroms häufig auf rund 50 bis 70 Prozent. Der Autarkiegrad, also der Anteil des Haushaltsstrombedarfs, den die Anlage deckt, kann in typischen Einfamilienhäusern bis etwa 70 Prozent erreichen – abhängig von PV- und Speichergröße sowie vom Lastprofil. Daher bieten sich zwei Alternativen an: teuren Netzstrom beziehen oder eine größere Anlage installieren. Letzteres ist nicht nur, aber vor allem ratsam, wenn ohnedies die Anschaffung eines Elektroautos geplant ist.
Typische Anlagengrößen im Überblick
Kennzahl
5 kWp
7 kWp
10 kWp
kWp in kWh umrechnen
Kilowattstunde (kWh): Stromerzeugung einer PV-Anlage In Deutschland erzeugt eine gut geplante Photovoltaikanlage je Kilowattpeak (kWp) Nennleistung pro Jahr typisch 950… weiterlesen
Kilowatt-Peak und Dachfläche
In unserem Beitrag zur Dimensionierung finden Interessenten einige Beispiele für den Strombedarf ohne und mit Elektroauto, Wärmepumpe und Klimaanlage. Die Berechnung der erforderlichen Dachfläche richtet sich nach der Leistung der Solarmodule. Je größer diese ist, desto kleiner die Modulfläche. Moderne Monokristallin-Module haben einen hohen Wirkungsgrad und erreichen heute typischerweise rund 440 bis 500 Watt Leistung bei einer Fläche von etwa 1,9 bis 2,0 m². Das entspricht je nach Modul einer Leistungsdichte von etwa 0,22 bis 0,26 kWp/m² bzw. rund 3,8 bis 4,6 m² reiner Modulfläche pro kWp – konservativ kalkuliert man etwa 4,5 bis 5 m²/kWp. Bei einer Anlage von 5 kWp wären es also rund 22 m², bei 10 kWp rund 44 m² reine Modulfläche. Diese Werte gelten unter optimalen Bedingungen und ohne Randabstände.
Allgemein gilt: Für 10 kWp sind rund 40 bis 46 m² reine Modulfläche nötig. Als belegbare Dach- bzw. Montagefläche sind je nach Dachform, Randabständen, Hindernissen und Aufständerung häufig 50 bis 70 m² einzuplanen, bei ungünstiger Geometrie auch mehr.
Fazit
Auch, wenn die Bedingungen im Labor der Realität praktisch nie entsprechen: Die Leistungsangabe „Kilowatt-Peak“ bietet eine gute Möglichkeit, die angebotenen Solaranlagen zu vergleichen. Außerdem lässt sie sich hierzulande recht leicht umrechnen: Pro kWp Nennleistung ist ein jährlicher Ertrag von im Mittel 1.000 kWh zu erwarten. Bei der benötigten Dachfläche rechnet man je nach Dachsituation mit rund 5 bis 7 m² pro kWp inklusive Randabständen.
Die wichtigsten Kennwerte von PV-Anlagen Die Leistung einer PV-Anlage basiert auf mehreren Kennwerten, auch Kenngrößen oder Kennzahlen genannt. Anhand dieser… weiterlesen
